文摘

使用生物柴油生产机油稀释,因为未燃烧生物柴油侵犯燃烧室的冷墙,被废弃油盘,并导致石油改变摩擦,磨损和润滑特性。摘要混合物SAE 15 w-40石油,由已知污染从菜籽油生物柴油的百分比,花生油,大豆油,和鸡脂肪,测试在一个pin-on-disk摩擦计。的接触采用AISI 1018钢的磁盘和符合美国钢铁协会的316不锈钢球销材料,摩擦力和特定的磨损测量。穿在磁盘表面显示,任何程度的矿物油检测生物柴油稀释的降低发动机的磨损保护石油即使在小的混合比例。然而,这些不同没有大幅削减比观察到相同比例的稀释矿物油的化石柴油。石油测试混合物含有动物脂肪原料(例如,鸡脂肪)生物柴油显示最好的穿着行为相比其他测试混合物与蔬菜原料的生物柴油稀释(矿物油)。讨论结果为进一步研究基线在生物燃料和可再生能源多学科方法biolubes。

1。介绍

生物燃料是可再生能源和可持续能源的重要来源。生物柴油生产从原料油的反应称为酯交换,一摩尔的甘油三酸酯与三摩尔酒精反应生成1摩尔的甘油和三摩尔的各自的脂肪酸烷基酯(1]。在冷启动和内燃走走停停的政权,nonvaporized燃料压缩衬垫是报废的活塞环和达到它稀释润滑油的油盘。一些有限的机油稀释通过柴油机燃料是可接受的,它发生在所有的柴油发动机。但当引擎是受生物柴油和生物柴油混合,机油稀释率和其影响可以是不同的比普通柴油。吉利·et al。2]讨论的两个主要原因,负责不同的生物柴油稀释机油:(i),生物柴油积累的机油,因为蒸馏温度较低,从而导致更多的未燃烧生物柴油稀释机油,和(2),柴油燃料有不同的偿付能力比ester-fluids生物柴油的性质。

耐磨性的生物柴油最近研究了使用不同的摩擦计技术方et al。3]。他们测试的影响纯生物柴油(B100)的磨损特征biodiesel-contaminated石油通过摩擦计电接触电阻的方法,高频往复钻机(HFRR)和四球试验。他们不断发现,而新鲜的生物柴油可能实际上减少磨损,aged-biodiesel降解产物可以与添加剂的相互作用,主要是用锌dialkyldithiophosphates (ZDDP),燃料稀释机油过多会导致复杂的氧化生物柴油组件之间形成和ZDDP。他们还报道,润滑油稀释与生物柴油可能增加岁穿即使在浓度的5%或更少,这严重影响之间的相互作用所导致的生物柴油可能岁ZDDP和部分氧化生物柴油。

Sulek在al。4)进行评估的摩擦学性能的混合柴油和生物柴油来自菜籽油。进行了研究与HFRR steel-steel对摩擦计。他们发现5%的测试油菜籽甲酯化石柴油燃料减少了20%的摩擦力、,油菜籽B100产生摩擦系数低30%比100%的化石燃料。Jech et al。5),AC²T GmbH和维也纳科技大学的研究,使用一个模型基于纳米摩擦计磨损体积一致性(nVCT)调查润滑性的影响(例如,体积磨损)的生物柴油稀释。他们发现,生物柴油浓度约10%的石油磨损轻微增加,但浓度较高(30%以上)诱导下进步的穿。这些作品在生物柴油混合物的摩擦学与矿物油和化石柴油表明摩擦学性能的混合物可以大大不同的比传统的化石矿物油和表明生物柴油污染的石油会影响这种混合物的润滑性。但生物柴油的影响(和它们的混合物,混合与化石油)在发动机摩擦学并不完全理解。

一些研究调查了生物柴油的理化性质矿物油性混合物,因为他们会影响发动机的性能和摩擦学行为:阿加瓦尔(6)报道,润滑油的粘度下降与发动机运行时主要是由于增加燃料稀释的生物燃料。桑顿et al。7)评价生物柴油混合油稀释的影响和相关的发动机的性能。他们得出的结论是,生物柴油发动机油导致增强氧化、酸度增加,导致减少TBN(总碱值)。沃森和黄(8]后来调查稀释的影响基于豆油甲酯生物柴油(因为他们比较它与超低硫柴油)在CI-4 +和cj 4润滑油。使用台秤氧化测试他们发现大幅增加润滑剂酸度的增加生物柴油的稀释度CI-4 +和cj 4矿物油。

虽然有丰富的经验在仪器的实际发动机摩擦磨损测量,这种方法一直高度关注技术问题而非基本面因素。典型的实验研究工作旨在解决一个特定问题时,对于一个给定的燃料,但他们提供一些依据广义科学基础方法。一些相关工作包括设置测量凸轮摩擦力矩由弹簧系统最小化挺杆和导游之间的摩擦9),通过测量和评估依据摩擦传动转矩而先后删除组件(10]。Wakuri et al。11由应变计)测量摩擦力的挖掘技术,和崔et al。12)使用电力电容方法cam-tappet联系确定油膜厚度和摩擦力。阿加瓦尔(6)提出了第一个已知engine-wear-based调查石油污染生物燃料,但没有评估能量损失或使调查的比较有效的(例如,noncontamination)参数值。他报道说,润滑油的粘度降低发动机运行时主要是由于增加燃料稀释的生物燃料。通过分析后的机油测试生物柴油,Bijwe et al。13)发现戊烷和苯不溶物含量反映低油氧化,和ZDDP添加剂损耗较低的发动机润滑油与生物柴油燃料时相比化石柴油;ferrograms显示低密度和规模较小的磨屑(并提出一些相应的低磨损的移动部件)。一般来说,这些biodiesel-fueled发动机试验表明,生物柴油与石油混合可能会导致增强润滑的混合物,因为固有的生物燃料的润滑性。

这个工作的文献回顾显示,只有有限的实验室调查典型发动机的磨损和摩擦影响材料接触时被biodiesel-contaminated矿物油润滑。没有先前的研究工作比较未遂的磨损和摩擦效应对不同生物柴油;作者假设不同的典型生物柴油脂肪酸内容可能会导致磨损行为的显著差异。本文的研究工作进行了调查的目的与几个feedstock-produced生物柴油对矿物机油稀释的影响,通过评估摩擦磨损在pin-on-disk摩擦计。

2。实验方法

这项工作从四种类型的生物柴油原料的测试,其中三个来自蔬菜原料(油菜、花生,大豆油生物柴油生产的可再生能源实验室的机电工程系乔治亚南方大学)和第四个从动物源(鸡脂肪生物柴油,这是由“地球能量”,生物柴油生产商在格鲁吉亚,美国)。

生物柴油从不同的原料通常包含不同类型和分数的脂肪酸。表1介绍了典型的脂肪酸含量(14,15)的四个不同的生物燃料进行这项工作。

在这个工作中,部分合成SAE 15 w-40美孚Delvac精英使用机油,以30%的合成基本原料。表2介绍了典型的属性采用15 w-40机油。

采用摩擦计是T-11 pin-on-disk摩擦计,足以执行ASTM G 99标准磨损和摩擦测试,设计和制造可持续技术研究所、国家研究所的屏蔽罩,波兰,并呈现在图1。额外NI9205模块(界面上的虚拟仪器软件)是用于获取数据的摩擦力传感器摩擦计用于这项工作。

材料接触对这项工作由一个固定符合美国钢铁协会的316不锈钢钢bearing-grade球直径3.175毫米(1/8英寸)的AISI 1018 - 25.4毫米直径的磁盘(厚度6±1毫米)。材料对被选为获得最重要的穿柔软磁盘材料,符合美国钢铁协会的1018相比更符合美国钢铁协会的316不锈钢-钢球销;发布测试观察合理确认测试的假设。因为在这个工作接触的材料和加载,滑动速度和测试时间,和环境参数保持不变,测量穿可以归因于润滑剂属性值和其表面的交互(例如,主要的润滑剂性能控制生物柴油稀释机油混合物)(17]。

磁盘表面是抛光镜面精加工采用一系列的240年,320年、400年和600年勇气砂纸获得最后一个粗糙度(Ra值)在1 - 10的范围μ210年(由三丰公司SJ测量仪器)。一个新的磁盘和球组在每个实验中,使用磁盘和球以前打扫超声波浴中使用微在50 - 90清洁解决方案:1体积比。在整个实验中,室温控制在17°C和19°C之间,和相对湿度保持在55%至60%之间。相对滑动速度的磁盘和球被设定为0.15 m / s总滑动距离1000米的所有实验进行。应用正常负载(销负载)是为所有实验19.2 N。

机油(15 w-40)稀释比例与已知的四种不同的生物柴油生产花生油(POB)、菜籽油(棒子),大豆油(抽泣),和鸡脂肪(POB),并与常规化石柴油,所有五个混合物相比,纯油。机油稀释,这些生物柴油和石化柴油的混合体积比稀释的四个百分比:5%,10%,20%和30%;纯石油(15 w-40)也在相同条件下测试参考。

在这部作品中,报道维磨损系数(或特定的穿)值计算根据经典Archard方程,磨损体积是衡量直接测试磁盘的减肥方法,使用精度范围内。实验前后体重测量,和测试磁盘表面进行超声波清洗以去除油和外部微粒(如果存在)的磨损表面。过程中的摩擦力也受到摩擦力的测量传感器的摩擦计使用。

3所示。结果与讨论

3.1。结果菜籽油生物柴油稀释矿物油的混合物

使用机油(15 w-40)与菜籽油生物柴油稀释为5%,10%,20%,和30%体积比。图2给这四个具体磨损测量混合物和纯净的机油作为参考。而纯发动机矿物油(0%)显示了测试条件,穿最低的5% and10%稀释穿不是明显更大,但20% canola-oil-biodiesel混合物显示稀释间隔的最大磨损测试。

进程内摩擦力测量呈现在图3,这表明摩擦力趋于一个常数值经过短暂的不到1000秒。之后,和所有四个稀释比例,摩擦力在测试时间并没有显著增加。这表明没有润滑失败会发生在距离1000滑动接触(相当于1小时51分钟,或6667秒)。但是对于所有测试四个稀释比例大约需要1000秒建立一个适当的减阻层表面。

3.2。结果花生油生物柴油稀释机油的混合物

使用机油(15 w-40)与花生油生物柴油稀释为5%,10%,20%,和30%体积比。图4给这四个具体磨损测量混合物和纯净的机油作为参考。而纯发动机矿物油(0%)和10%稀释显示磨损值最低的测试条件下,磨损的5%大幅稀释并不大,但20%和30% peanut-oil-biodiesel混合物显示类似的最大磨损值检测稀释区间。

进程内摩擦力测量呈现在图5表明,表面减摩层是在很短的时间内(小于500年代),10%,20%,和30%的花生油稀释机油混合物,并从那时摩擦力测量似乎不断在实验的持续时间(相当于1小时51分钟,或6667秒)。5%稀释小增量的摩擦力,但似乎趋于一个恒定值,观察大约2000年代。

3.3。结果大豆油生物柴油稀释机油的混合物

使用机油(15 w-40)与大豆油生物柴油稀释为5%,10%,20%,和30%体积比。图6给这四个具体磨损测量混合物和纯净的机油作为参考。而纯发动机矿物油(0%)和10%稀释显示磨损值最低的测试条件,但20%和30% soybean-oil-biodiesel混合物显示类似的最大磨损值检测稀释区间。

进程内摩擦力测量,呈现在图7,表明一个减摩层表面充分发展(瞬态时间约3000秒后)的5%,10%,和20%的混合物,和从那时摩擦力是相同的,似乎不断在实验(每个相当于1小时51分钟或6667秒)。但对摩擦力的稀释大幅增加30%,但似乎趋于一个恒定值,从一开始就观察到实验的运行。

3.4。结果鸡脂肪柴油稀释机油的混合物

使用机油(15 w-40)与鸡肥油生物柴油稀释为5%,10%,20%,和30%体积比。图8给这四个具体磨损测量混合物和纯净的机油作为参考。而纯发动机矿物油(0%)显示了测试条件,穿最低的5%和10%稀释穿不是显著大于参考,但20% chicken-fat-oil-biodiesel混合物显示最大穿这种生物柴油混合稀释间隔进行测试。

进程内摩擦力测量呈现在图9,这表明摩擦力的瞬态后趋于恒定值或超过4000秒。之后,和所有四个稀释比例,摩擦力在测试时间并没有显著增加,而且似乎倾向于常量值。这表明没有润滑失败会发生在距离1000滑动接触(相当于1小时51分钟,或6667秒)。

3.5。参考化石柴油混合物相比矿物油和讨论

使用机油(15 w-40)也与化石柴油稀释,混合物作为一组引用,同样的5%,10%,20%,和30%体积比率,和pin-on-disk测试每个混合物进行了同样的试验条件比生物柴油的混合物。图10介绍了测量磨损的总结为所有四个测试生物柴油的混合物SAE 15 w-40油,相比与化石柴油油混合物

磨损值报告如图10四个生物柴油的表明,任何程度的矿物油检测生物柴油稀释的减少了磨损保护调查间隔的机油的性能,即使在少量,如测试5%稀释。然而,测量水平的磨损对所有四个生物柴油混合物,并不比相应的磨损值显著不同的混合物相同的fossil-diesel SAE15W-40油(也比较的图10),约20%的两倍菜籽油生物柴油混合物。需要注意的是,最高的测试稀释为30%,所有四个生物柴油混合物产生低磨损比相应的磨损测量稀释30%化石柴油。

虽然花生油生物柴油和鸡油生物柴油生产具体穿相对低于其他两个测试生物柴油混合物,生物柴油穿值增长了5次高于纯15 w-40机油在同样的实验条件和运行参数(显示为0%污染磨损值在每个特定穿情节)。

的整体性能测试动物脂肪(鸡脂肪)生物柴油稀释机油比蔬菜原料的生物柴油,特别是体积稀释为20%和30%。鸡脂肪柴油通常包含大约25%的棕榈酸,是脂肪酸含量高于其他测试典型(蔬菜原料)生物柴油14,15]。动物脂肪生物柴油还包含较小的亚油酸比蔬菜原料的生物柴油(14,15]。整体在这项研究的结果表明,大量的棕榈酸和较低的亚油酸可能发挥作用在减少磨损观察鸡脂肪生物柴油稀释的矿物油。测试中蔬菜原料生产生物柴油,花生油生物柴油产生了较低的表面磨损在矿物油污染的5%和10%,这可能是由于花生油生物柴油的典型的亚油酸含量较低,相比,大豆油和菜籽油生物柴油混合物。

都穿结果10%的生物柴油稀释低于5%,但也比测量值小20%稀释(产生最高的测试间隔穿)。这些结果可以解释在两个竞争的影响的生物柴油,而少量的生物柴油可以添加一些润滑矿物油(10%生物柴油相比,相同比例的化石柴油),对于较大的20%生物柴油脂肪酸的交互与发动机润滑油抗磨添加剂可能饿死的接触表面添加剂,特别是对ZDDP(二烷基二硫代磷酸锌)。通常ZDDP债券润滑对穿金属表面形成保护层,但生物柴油的极地组件(例如,脂肪酸甲基酯)也可能吸引ZDDP分子(18),他们可能会导致添加剂饥饿。文学研究[7,8]表明,生物柴油稀释机油性能产生负面影响,因为甲基酯生物柴油部分退化和与ZDDP抗磨添加剂,生物柴油在机油增强氧化引起的,导致酸组件和总碱值的减少。

进程内的摩擦力对所有测试biodiesel-in-oil混合物在测试比例间隔显示初始瞬态摩擦力紧随其后的是一个看似常数。但观察瞬变短之间的不同,对于菜籽油peanut-oil-derived生物柴油混合,大大延长的,至于大豆油和鸡脂肪混合物。摩擦力量菜籽油和花生油生物柴油混合物也比大豆和鸡脂肪生物柴油。不同的生物柴油的影响分数混合物的粘度和保护soap层的形成添加剂(而最终影响添加剂的相互作用与生物柴油脂肪酸)可以解释这些摩擦力差异和瞬变6),但这样的假设并不在这个调查研究工作。

4所示。结论

这项研究显示使用的可行性pin-on-disk摩擦计用于测试所选金属表面磨损和摩擦力的变化而与生物柴油的混合物机油润滑。从四种类型的生物柴油原料进行测试:菜籽油、花生油和大豆油生物柴油,鸡脂肪生物柴油。机油(15 w-40)稀释为5%,10%,20%,和30%的四种不同的生物柴油,并与相同体积百分比的常规化石柴油;纯机油(15 w-40)也在相同条件下测试参考。

这项工作的结果表明,任何程度的矿物油稀释的检测生物柴油可以减少穿保护机油的属性。虽然这项研究最可用的文献表明,润滑油稀释,生物柴油对发动机有一个负面影响油耗的保护,这种影响并不显著不同于这项工作中观察到的相同比例的稀释矿物油的化石柴油(自然发生在化石柴油发动机)。

的wear-protection性能测试动物脂肪原料(例如,鸡脂肪)生物柴油稀释机油时发现比蔬菜生物柴油稀释测试;这些结果表明,高分数的棕榈酸和亚油酸成分的较小的生物柴油可能发挥作用在减少污染矿物油时表面磨损。这些脂肪酸油抗磨添加剂的相互作用可能会理解这种磨损行为的关键。特别是,生物柴油与ZDDP的互动感兴趣的,因为生物柴油的极地组件(例如,脂肪酸甲酯)也可以吸引ZDDP分子,因此减少添加剂的抗磨性能。氧化稳定性也可能是一个因素,当混合生物柴油和机油(18]。作者正在计划进一步研究探索这些假设,作为可再生能源的一部分,多学科方法在生物燃料和biolubes乔治亚南方大学。

确认

本文由教师研究委员会资助,支持和乔治亚南方大学的研究生助教奖学金。作者还要感谢在乔治亚南方大学可再生能源和发动机实验室的慷慨支持在这个多学科协作研究生物燃料。